BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE

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1 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE Série : STL Spécialité biotechnologies SESSION 2014 CBSV : sous épreuve coefficient 4 Biotechnologies : sous épreuve coefficient 4 Durée totale de l épreuve: 4 heures Les sujets de CBSV et de biotechnologies seront traités sur des copies séparées. Dès que les sujets vous sont remis, assurez-vous qu ils sont complets. L usage de la calculatrice est autorisé. 14CBSVPO1 14BIOPO1 STL CBSV et spécialité biotechnologies

2 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE Série : Sciences et Technologies de Laboratoire Spécialités : - Biotechnologies - Sciences physiques et chimiques en laboratoire SESSION 2014 Sous-épreuve écrite de Chimie biochimie sciences du vivant Coefficient de cette sous-épreuve : 4 Ce sujet est prévu pour être traité en deux heures. Les sujets de CBSV et de spécialité seront traités sur des copies séparées. L usage de la calculatrice est autorisé. Ce sujet comporte 7 pages. Partie I : pages 2 à 3 Partie II : pages 4 à 7 Les 2 parties sont indépendantes. 14CBSVPO1 Page : 1/7

3 L évaluation tiendra compte de la qualité de l expression et de la communication La myopathie de Duchenne : une maladie génétique Partie I : créatine-phosphokinase et ATP (8 points) Les cellules musculaires nécessitent, pour leur fonction de contraction, une grande quantité de molécules d ATP. La myopathie de Duchenne est une pathologie qui se traduit par une dégénérescence progressive des muscles. Ceux-ci s atrophient peu à peu, perdent leur force et leur volume. Les enzymes normalement présentes dans le muscle se retrouvent dans le sang et peuvent alors être dosées dans le plasma ; c est le cas de la créatine-phosphokinase, enzyme qui intervient dans une réaction permettant la synthèse de l ATP. On cherche à illustrer l importance du rôle physiologique de la créatine-phosphokinase dans la synthèse de l ATP, nécessaire à la contraction musculaire. Créatine-phosphokinase 1.1. Une enzyme est un catalyseur. Proposer une définition du terme catalyseur Citer la catégorie de macromolécules biologiques à laquelle appartient une enzyme. Le document A présente le mécanisme de la transcription, première étape de la synthèse d une enzyme Reporter sur la copie, les numéros 1 à 4 du document A et nommer les légendes qui s y rapportent. Formation de l ATP L enzyme créatine-phosphokinase catalyse le couplage entre les deux réactions données dans le document B, permettant la formation d ATP à partir d ADP Ecrire l équation résultant du couplage de ces deux réactions Calculer l enthalpie libre standard de réaction de ce couplage dans les conditions biologiques. Conclure quant à l intérêt de ce couplage. Molécule d ATP Le document C présente la formule de la molécule d ATP (Adénosine Tri-Phosphate) 1.6. A partir du document C, identifier la localisation 5, 6 ou 7 de la liaison mise en jeu pour la transformation de l ATP en ADP. L énergie nécessaire à la contraction musculaire est produite par rupture de cette liaison de la molécule d ATP en présence d eau Citer le type de réaction mise en jeu et écrire son équation. 14CBSVPO1 Page : 2/7

4 Liste des documents Document A : schéma du mécanisme de transcription Document B : Enthalpies libres standard de réaction Document C : molécule d ATP Document A : schéma du mécanisme de transcription Sens de déplacement de l enzyme permettant la transcription Document B : Enthalpies libres standard de réaction Réactions (1) créatine-phosphate + H 2 O créatine + HPO 4 2- Enthalpie libre standard de réaction dans les conditions biologiques (ph = 7,0 et T = 310 K) r G 1 0 = - 43,0 kj.mol -1 (2) ADP 3- + HPO H + ATP 4- + H 2 O r G 2 0 = + 30,5 kj.mol -1 Document C : molécule d ATP NH N N O - O P O - O O P O - O O P O - O O N N OH OH 14CBSVPO1 Page : 3/7

5 Partie II : traitement de la myopathie de Duchenne (12 points) Les patients atteints de la myopathie de Duchenne sont majoritairement des garçons. Cette maladie est liée à une modification d une protéine, appelée dystrophine. La recherche est très active concernant cette maladie. Un des objectifs est de développer de nouvelles pistes thérapeutiques. Parmi elles, «le saut d exon» est l une des plus prometteuses. L objectif est de comprendre comment la thérapie génique appelée «saut d exon» pourrait permettre le traitement de cette pathologie. La myopathie de Duchenne : une maladie génétique Le document D présente l'arbre généalogique d'une famille où s'exprime la myopathie de Duchenne Indiquer si l allèle responsable de la maladie est récessif ou dominant. Argumenter la réponse A partir de l analyse argumentée des données introductives et de l arbre généalogique, justifier que le gène est porté par un chromosome sexuel et préciser lequel. Etude de la dystrophine Le document E présente les séquences d un fragment de l allèle de référence (individu non atteint) noté s et d un fragment de l allèle muté noté m du gène de la dystrophine Indiquer les séquences d ARN messager puis, à l aide du code génétique fourni, les séquences protéiques correspondant aux deux portions de séquences allèliques. En déduire les conséquences de la mutation sur la séquence protéique issue de l expression de l allèle m. La cellule possède une structure moléculaire, le protéasome, dont un des rôles est d éliminer les protéines présentant une conformation (structure tridimensionnelle) anormale. Le document F présente le résultat d un western blot, technique permettant la détection spécifique de la dystrophine à partir de cellules musculaires de patients sains et de patients atteints par la myopathie de Duchenne A l aide des informations fournies, proposer une explication aux résultats observés sur le western blot En déduire l effet de la mutation sur la conformation de la protéine. Saut d exon Pour essayer de traiter la myopathie de Duchenne, les scientifiques ont d abord envisagé de réaliser une thérapie génique en introduisant un allèle non muté dans l ADN des cellules musculaires. Cette technique étant difficile à mettre en œuvre, le saut d exon est une autre thérapie actuellement en cours de recherche. Elle consiste à éliminer l exon qui contient la mutation après un épissage sélectif. Son principe est détaillé dans le document G A partir des informations du document G, comparer la séquence des protéines produites en absence de saut d exon et après la technique du saut d exon Préciser à quelle condition la technique du saut d exon pourrait être un traitement efficace pour soigner une pathologie telle que la myopathie de Duchenne. 14CBSVPO1 Page : 4/7

6 Liste des documents Document de référence : code génétique Document D : arbre généalogique d une famille dont certains membres sont atteints de la myopathie de Duchenne Document E : séquence d un fragment de l allèle de référence (s) et d un fragment de l allèle muté (m) du gène de la dystrophine Document F : analyse par western blot des cellules musculaires d un patient sain (s) et d un patient atteint de la myopathie de Duchenne (m) Document G : principe général de la technique du saut d exon Document de référence : code génétique Document D : arbre généalogique d une famille dont certains membres sont atteints de la myopathie de Duchenne I II III Homme sain Femme saine Homme malade Femme malade 14CBSVPO1 Page : 5/7

7 Document E : Séquences d un fragment de l allèle s et d un fragment de l allèle m du gène de la dystrophine Allèle de référence, brin d ADN transcrit (s) 3 - C C A A A C T A A A C C T T A T A T - 5 Allèle muté, brin d ADN transcrit (m) 3 - C C A A A T A A A C C T T A T A T G - 5 Document F : analyse par western blot d un extrait de cellules musculaires d un patient sain (s) et d un patient atteint de la myopathie de Duchenne (m) (adapté d après Hoffman et al, Cell, 1987) Principe résumé de la technique de western blot : Etape 1 : Séparation de l ensemble des protéines de l échantillon en fonction de leur taille par électrophorèse. Détection de la dystrophine s m Etape 2 : Détection de certaines protéines via l utilisation d anticorps spécifiques. La détection d une protéine toujours présente dans la cellule comme l actine permet de valider la technique Détection de l actine 14CBSVPO1 Page : 6/7

8 Document G : principe général de la technique du saut d exon Chez les organismes eucaryotes, les exons sont les fragments d un ARN pré-messager qui se retrouvent dans l ARN cytoplasmique après épissage, par opposition aux introns (fragments d ARN pré-messager éliminés au cours de l épissage). a) Expression génétique en absence de saut d exon ADN Exon1 Intron1 Exon2 Intron2 Exon3 ARN pré-messager Exon1 Intron1 Exon2 Intron2 Exon3 ARN messager Exon1 Exon2 Exon3 Protéine AA : acide aminé AA1 AA1 AA2 AA3 AA4 AA5 AA6 AA7 AA8 b) Expression génétique après saut de l exon 2 ADN Exon1 Intron1 Exon2 Intron2 Exon3 ARN pré-messager Exon1 Intron1 Exon2 Intron2 Exon3 ARN messager Exon1 Exon3 Protéine AA : acide aminé AA1 AA2 AA3 AA6 AA7 AA8 14CBSVPO1 Page : 7/7

9 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE Série : Sciences et Technologies de Laboratoire Spécialité : Biotechnologies SESSION 2014 Sous-épreuve écrite de Biotechnologies Coefficient de la sous-épreuve : 4 Ce sujet est prévu pour être traité en deux heures. Les sujets de CBSV et de biotechnologies seront traités sur des copies séparées. L usage de la calculatrice est autorisé. Ce sujet comporte 7 pages. 14BIOPO1 Page : 1/7

10 DOSAGE ET ÉLIMINATION D UN POLLUANT DE L'EAU Certaines formes d'agriculture conduisent à une pollution des sols et des eaux souterraines par utilisation de nombreux produits phytosanitaires. L'atrazine est un herbicide qui a été largement utilisé entre 1960 et Malgré l'interdiction d'utilisation en France à partir de 2003, l'atrazine reste l'herbicide le plus présent dans les eaux souterraines. La valeur sanitaire maximale pour l atrazine dans l eau destinée à la consommation humaine est de 0,1 µg.l -1 en Europe. Une société d exploitation d eau potable souhaite distribuer une nouvelle eau de source souterraine. Elle charge un laboratoire de vérifier sa qualité sanitaire et de tester un procédé de dépollution. Ce procédé utilise une souche microbienne de Pseudomonas sélectionnée dans le but de dégrader les molécules polluantes dont l atrazine. Pour cela, le laboratoire réalise : - un dosage de la molécule d atrazine dans l eau de source ; - une étude de la capacité de la souche de Pseudomonas sélectionnée à dégrader l atrazine ; - une étude de l influence de la température sur la biodégradation de l atrazine par Pseudomonas. 1. DOSAGE DE L'ATRAZINE DANS L EAU DE SOURCE PAR UNE MÉTHODE IMMUNO- ENZYMATIQUE L atrazine est dosée par une méthode immuno-enzymatique de type ELISA décrite dans le document 1. Q1. A partir de l analyse du mode opératoire, identifier le rôle : - de chacun des différents temps d incubation (étapes 2, 5 et 8) ; - de chacun des différents lavages (étapes 3 et 6). Q2. Schématiser l édifice moléculaire présentant les différentes molécules et leurs interactions, obtenu après la dernière incubation dans un puits positif. Q3. Choisir la longueur d'onde de travail pour doser le produit jaune formé et argumenter ce choix. Dans cette technique ELISA, l absorbance mesurée est proportionnelle à la concentration massique d atrazine de l essai. Les résultats de l expérience sont donnés dans le document 1. Q4. Déduire l équation aux grandeurs et aux unités permettant de calculer la concentration massique en atrazine ρ (atrazine ; eau de source) en µg.l -1 de l échantillon d eau de source non diluée. Q5. Donner l équation aux valeurs numériques et calculer ρ (atrazine ; eau de source) dans l eau analysée avec une incertitude élargie U = 0,30 µg.l -1. Q6. Conclure quant à la qualité sanitaire de cette eau de source concernant l atrazine. 2. ETUDE DE LA CAPACITÉ DE LA SOUCHE DE PSEUDOMONAS SÉLECTIONNÉE À DÉGRADER L ATRAZINE Afin de déterminer si une souche sélectionnée de Pseudomonas est capable d utiliser l atrazine, des tests sont réalisés. Les résultats sont donnés dans le document 2. 14BIOPO1 Page : 2/7

11 Q7. Classer les constituants du milieu de base (M) en deux catégories : source de carbone ou source d éléments minéraux. Présenter ce classement sous forme d un tableau. Q8. Analyser les résultats des expériences 1 et 2. En déduire le rôle des peptones. Q9. Analyser l expérience 3 et expliquer le comportement de Pseudomonas vis-à-vis de l atrazine. Argumenter l intérêt du choix de cette souche pour le traitement des eaux. 3. ETUDE DE L INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE SUR LA BIODÉGRADATION DE L'ATRAZINE PAR LA SOUCHE DE PSEUDOMONAS SÉLECTIONNÉE 3.1. Vérification du stock de cellules congelées de la souche de Pseudomonas Le laboratoire dispose de stocks de souches congelées directement utilisables pour ensemencer le bioréacteur. Afin de démarrer la croissance dans de bonnes conditions, une concentration bactérienne minimale de 2, UFC.mL -1 est nécessaire. Avant chaque inoculation, une évaluation de la concentration bactérienne du stock est réalisée par une technique de dénombrement en surface sur gélose PCA. La réalisation de ce dénombrement et les valeurs obtenues sont présentées sur le document 3. Q10. Etablir l équation aux valeurs numériques et calculer la concentration en nombre, notée N UFC Pseudomonas, exprimée en UFC.mL -1 du stock décongelé de Pseudomonas. Q11. Conclure sur le stock testé Influence de la température sur la croissance de la souche de Pseudomonas Afin d'étudier l'efficacité et les possibilités permettant de diminuer les coûts de traitement, deux températures d'incubation ont été testées : 12 C qui est la température moyenne des eaux souterraines à traiter et 30 C qui est proche de la température optimale de croissance de Pseudomonas. Maintenir une température de 30 C implique un coût énergétique pour l entreprise. Les courbes de croissance obtenues ainsi que l'évolution de la quantité d'atrazine dans les bioréacteurs sont présentées dans le document 4. Q12. Comparer les deux courbes de croissance. Q13. Reproduire et compléter le tableau ci-dessous sur la copie, en expliquant la démarche. Température de l'expérience à 12 C à 30 C Pourcentage d atrazine présente dans le bioréacteur Pourcentage d'atrazine dégradée par Pseudomonas après 30 h après 60 h après 30 h après 60 h Q14. A partir des réponses apportées en Q12 et Q13, proposer une température à utiliser dans le cadre de la dépollution des eaux par la souche de Pseudomonas sélectionnée. Argumenter le choix. SYNTHESE Q15. Présenter une synthèse de l étude menée par le laboratoire afin de permettre la mise en exploitation de l eau de source. 14BIOPO1 Page : 3/7

12 DOCUMENT 1 : Dosage de l atrazine par la technique ELISA Sandwich Le principe de base des tests ELISA repose sur une interaction spécifique entre un antigène et un anticorps. Ici, l'atrazine est l antigène. Mode opératoire du dosage ELISA Sandwich: Les anticorps anti-atrazine sont fixés à la surface des puits d'une microplaque. 1- Remplir un puits avec l'échantillon dont on veut déterminer la concentration en atrazine (essai) et un autre puits avec de l atrazine en concentration connue (C m atrazine solution étalon = 0,12 µg.l -1 ) 2- Incuber 30 minutes à 37 C. 3- Laver les puits au tampon PBS. 4- Ajouter en excès le conjugué, c est-à-dire l'anticorps anti-atrazine couplé à une enzyme (la peroxydase). 5- Incuber 30 minutes à 37 C. 6- Laver les puits au tampon PBS. 7- Ajouter le substrat de l'enzyme, H 2 O 2, du TMB (tétraméthylbenzidine) qui en présence de l enzyme est oxydé en un produit coloré bleu. 8- Incuber 20 minutes à 37 C. 9- Stopper la réaction enzymatique en ajoutant de l'h 2 SO 4. Le produit se colore en jaune. 10- Mesurer l absorbance dans les puits à une longueur d'onde (λ) appelée longueur d'onde de travail. Spectre d absorption de la forme jaune du TMB oxydé obtenu après ajout d H 2 SO 4 Valeurs obtenues pour l'elisa La procédure ayant été validée au préalable, les valeurs obtenues pour l étalon et pour l essai (échantillon d eau de source dilué au 1/10) sont les suivantes : Etalon Essai Concentration massique ρ (atrazine ; échantillon) en µg.l -1 0,12 A à λ de travail 0,345 0,450 On admet que : é = ( ; é ) ( ; ) 14BIOPO1 Page : 4/7

13 DOCUMENT 2 : Croissance de la souche de Pseudomonas sélectionnée dans différents milieux La souche utilisée est inoculée dans différents milieux liquides et incubée 24 h à 30 C. Tableau des résultats obtenus Milieux de culture Après incubation Expérience 1 Expérience 2 Expérience 3 Milieu de base (M) Milieu de base (M) + peptones Milieu de base (M) + atrazine (C 8 H 14 ClN 5 ) Aspect des tubes Limpide Trouble Trouble Composition du milieu de base (M) pour 1 litre (dissolution dans de l'eau déminéralisée) Glucose (C 6 H 12 O 6 )... 5 g Sulfate de magnésium (MgSO 4 )... 0,2 g Hydrogénophosphate de potassium (K 2 HPO 4 )... 1 g Dihydrogénophosphate de potassium (KH 2 PO 4 )... 1 g Chlorure de sodium (NaCl)... 5 g Sulfate de fer (FeSO 4 ) mg Chlorure de calcium (CaCl 2 ) mg Mélange d oligo-éléments (Mn, Mo, Co, Cu, Zn)... 0,03 mg de chaque ph = 7,1 14BIOPO1 Page : 5/7

14 DOCUMENT 3 : Dénombrement d'un stock de cellules décongelées par étalement sur gélose PCA Mode opératoire L'ensemble des manipulations est réalisé en zone d asepsie. Le stock, une fois décongelé, est soumis à une série de dilutions décimales en eau physiologique jusqu'à la dilution Le dénombrement est ensuite réalisé sur gélose PCA par étalement en surface de 0,1 ml de chacune des dilutions de 10-4 à 10-7 (1 boîte par dilution). Les ensemencements réalisés sont incubés 48 h à 30 C en aérobiose. Le comptage des UFC en surface permet d'obtenir les valeurs ci-après. Valeurs obtenues pour ce dénombrement : Dilution UFC comptées indénombrable Les dilutions contenant entre 10 UFC et 300 UFC sont exploitables. Exploitation du dénombrement d après la norme ISO 7218 d octobre 2007 : Σ Equation aux grandeurs : = 1,1 N : nombre d'ufc (Unités Formant Colonies) par ml de produit initial Σ : somme des colonies comptées sur les deux boîtes retenues de deux dilutions successives et dont au moins une contient au minimum dix colonies. V : volume de l inoculum déposé dans chaque boîte (en ml) d : dilution correspondant à la première boîte retenue, avec l inoculum le moins dilué. Expression du résultat de mesure : Le résultat est arrondi à deux chiffres significatifs et exprimé par un nombre compris entre 1,0 et 9,9 multiplié par la puissance de 10 appropriée. Significations des sigles : UFC = unité formant colonie PCA = plate count agar, gélose classiquement utilisée pour le dénombrement des germes aérobies non exigeants 14BIOPO1 Page : 6/7

15 DOCUMENT 4 : Influence de la température sur la croissance et sur la dégradation de l'atrazine par la souche sélectionnée Légendes : Croissance à 30 C Pourcentage d'atrazine à 30 C Croissance à 12 C Pourcentage d'atrazine à 12 C ln (biomasse) Pourcentage d'atrazine dans le bioréacteur 100 % % 2 1 0,5 unité de ln 5 h 10 % 10 % Temps (heure) 14BIOPO1 Page : 7/7